Antibiotika und Antibiotikaresistenz

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1 Antibiotika und Antibiotikaresistenz MPM 3 Definition Antibiotika sind niedermolekulare Stoffwechselprodukte bestimmter Organismen, die in bereits geringer Konzentration auf andere Organismen (insbesondere Bakterien) toxisch wirken. Der Begriff schließt heute auch synthetische Substanzen ein. Antibiotika wirken durch die selektive Hemmung eines (lebenswichtigen) Enzyms ("drug target"). MPM 4

2 Wirkung von Antibiotika Bakteriostatische Wirkung: Wachstum ist gehemmt, Zellen sterben nicht Bakterizide Wirkung: Wachstum ist gehemmt, Zellen sterben mit der Zeit Bakteriolytische Wirkung: Zellen sterben durch Lyse (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 5 Entdeckung der Antibiotika 1929 Alexander Fleming Penicillium notatum Schimmelpilz Bakterien Im September 1928 entdeckte Alexander Flemming das Penicillin auf die gleiche Art, auf die er Lysozym entdeckt hatte: durch Zufall. Er hatte einige Petrischalen in seinem Labor liegen gelassen und bemerkte nach einem Wochenendurlaub, dass auf einer Platte eine Schimmelpilzkolonie wuchs, um die herum keine Bakterien zu sehen waren. Er analysierte den Schimmelpilz und entdeckte eine neue Verbindung, die das Bakterienwachstum selbst bei 800-facher Verdünnung hemmte. Er nannte die Substanz Penicillin. Flemings erste Publikation über Penicillin erschien erhielt Fleming für diese Entdeckung den Nobelpreis für Medizin. MPM 6

3 Wirkungsspektrum von Penicillin Penicillin hemmt nur eine bestimmte Klasse von Bakterien, die sich durch die Gram-Färbung unterscheiden lassen: Penicillin hemmt gram-positive Bakterien, nicht gram-negative MPM 7 Die Gramfärbung Gram+ und Gram- Bakterien unterscheiden sich im Zellwandaufbau (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 8

4 Aufbau der Bakterien Zellwand (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 9 Aufbau der Bakterien Zellwand Gram+ Bakterien Gram- Bakterien (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 10

5 Peptidoglycan Die Struktur einer der sich wiederholenden Einheiten der Peptidoglykanzellwandstruktur, des Glykantetrapeptids. Die dargestellte Struktur findet man bei Escherichia coli und den meisten anderen gramnegativen Bacteria. Bei einigen Bacteria kommen andere Aminosäuren vor MPM 11 Peptidoglycan Murein Verbindung der Peptid- und Glykaneinheiten bei Escherichia coli und Staphylococcus aureus MPM 12

6 Murein (Peptidoglucan)-Synthese aus niedermolekularen Bausteinen TGase TPase MPM 13 Wirkungsweise des Penicillins Penicilloyl-O-TPase Intermediat. Nur sehr langsame Hydrolyse. Die Transpeptidase ist blockiert Penicillin und verwandte Substanzen sind Inhibitoren der Transpeptidase und interferieren mit der bakteriellen Zellwandsynthese. Dies hat zunächst keinen Effekt auf nicht-wachsende Zellen Transpeptidase = PBP (Penicillin binding proteins) PBP/β-Lactam-Komplex: stimuliert die Production von Autolysinen Konsequenz: kein Wachstum, Zellen lysieren mit der Zeit MPM 14

7 Exkurs: Lysozyme 1922 Alexander Fleming Familie von Enzymen, welche die Bakterienzellwand durch Hydrolyse des Peptidoglycans schädigt. Eindringendes Wasser bringt die Bakterien zum Platzen. Hydrolysiert die β-1,4-glycosidische Bindung zwischen N-Acetylmuraminsäure and N-Acetyl-Dglucosamin. Häufig in vielen tierischen Sekreten (z.b. Tränen, Speichel, Schleim) und Eiklar; auch von Prokaryoten und Phagen (T4) produziert. Wichtig für die Abwehr bakterieller Infektionen Hühnereiweiß-Lysozym: 129 Aminosäuren, Da, 4 Disulfidbrücken MPM 15 β-lactam-antibiotika Penicilline Modifikation der N-Acylgruppe führt zu einem veränderten Wirkungsspektrum: Halbsynthetische Penicilline (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 16

8 Resistenz gegen β-lactam-antibiotika β-lactam-ring Penicillin-Säure (inaktiver Metabolit) Enzyme, die Penicillin unter Öffnung des β-lactam-ringes hydrolysieren, vermitteln Penicillin-Resistenz. MPM 17 Nukleosidanaloga: Puromycin Puromycin ist ein von Streptomyces alboniger produziertes Nucleosid- Analogon und verursacht einen Kettenabbruch während der Translation. MPM 18

9 Peptidyltransferase-Reaktion MPM 19 Wirkungsmechanismus von Puromycin Puromycin ersetzt die Aminoacyl-tRNA als Akzeptor der Peptidyltransferase-Reaktion und verursacht dadurch einen Kettenabbruch. D.h. das naszierende Polypeptid wird mit einem C-terminalen Puromycinrest vom Ribosom entlassen. Puromycin ist für Prokaryoten und Eukaryoten gleichermaßen toxisch. MPM 20

10 Resistenz gegen Puromycin Puromycin-N-Acetyl-Transferase konvertiert Puromycin in eine inaktive Form. MPM 21 Aminoglycosid-Antibiotika Struktur: Über glykosidische Bindungen verknüpfte Aminozucker Beispiel: Streptomycin Vorkommen: Streptomyces griseus Medizinische Bedeutung: war eines der ersten wirksamen Mittel gegen Tuberkulose. Mechanismus: In Gegenwart von Streptomycin steigt die Fehlerrate der bakteriellen Translation von 10-4 auf 10-3 bis 10-2, was die Vermehrung der Bakterien hemmt. Resistenz: Bestimmte Mutationen, z.b. im ribosomalen Protein S12, bewirken Streptomycin- Resistenz, d.h. genaue Translation selbst in Gegenwart dieses Antibiotikums. Diese Mutanten translatieren in Abwesenheit von Streptomycin deutlich präziser als Wildtyp-Bakterien (aber auch deutlich langsamer). Einige dieser Mutanten können dann nur noch in Gegenwart von Streptomycin überleben. MPM 22

11 Aminoglycosid-Antibiotika Beispiel: Kanamycin A Vorkommen: Streptomyces kanamyceticus Mechanismus: Inhibition der Translation durch Bindung an den trna decodierenden A-Ort der 30S ribosomalen Untereinheit Medizinische Bedeutung: gram-negative Bakterien; nicht mehr häufig angewendet Resistenz: Modifikation durch N-Acetyltransferase MPM 23 Chloramphenicol Vorkommen: Streptomyces venezuelae Mechanismus: bindet an den A-Ort des Peptidyl-Transferase Zentrums (50S Untereinheit) und verhindert die Bindung der Aminoacyl-tRNA. Medizinische Bedeutung: Breitbandantibiotikum, das in der Humanmedizin aber kaum mehr angewandt wird. Grund sind zum einen toxische Nebenwirkungen, die sich u.a. auf die Hemmung der Proteinsynthese an mitochondrialen Ribosomen zurückführen lassen. Zum anderen ist in pathogenen Bakterienstämmen Chloramphenicol-Resistenz heute weit verbreitet. Resistenz: Modifikation durch Chloramphenicol-Acetyl-Transferase (CAT) MPM 24

12 Tetracyclin Vorkommen: Streptomyces aureofaciens Mechanismus: blockiert prokaryotische Translation, indem es die Bindung der Aminoacyl-tRNAs verhindert (es interagiert mit der 16S RNA der kleinen ribosomalen Untereinheit) 50S trnas 30S EF-Tu Mol Cell 2001 May;7(5): Cryo EM Analyse MPM 25 Tetracyclin Medizinische Bedeutung: Breitbandantibiotikum, inhibiert fast alle gram-positive und gram-negative Bakterien. Tetracyclin-Derivate (Oxytetrazyclin etc.) werden medizinisch intensiv genutzt. Resistenz: Verschiedene Mechanismen 1. Tet-Transporter pumpen Tetrazyclin aktiv aus den Zellen (Energiequelle: Protonengradient). 2. "ribosome protection proteins" (Bsp.: "Tet(O)", Tet(M)"). Ähnlichkeiten zu EF-Tu und EF-G: entfernen Tetracyclin-Derivate aktiv (d.h. unter GTP-Hydrolyse) vom Ribosom. 3. Die 16S-RNA kann durch Mutation so verändert werden, dass ihre Funktionalität in der Translation erhalten bleibt, aber kein Tetracyclin mehr gebunden werden kann. MPM 26

13 Chinolone Mechanismus: Interferenz mit der bakterielle DNA-Replikation, so dass ein (letaler) DNA-Doppelstrangbruch verbleibt. Ciprofloxacin bindet den Komplex aus Gyrase (Topoisomerase II) mit kovalent gebundener DNA so fest, dass der durch das Enzym bewirkte Doppelstrangbruch nicht wieder geschlossen werden kann. Medizinische Bedeutung: Breites Wirkspektrum besonders gegen gram-negative Bakterien. Resistenz: Mutationen in gyra, gyrb (Untereinheiten der Gyrase) und grla und grlb (Untereinheiten der Topoisomerase IV); nora (Effluxpumpe) MPM 27 Wirkorte von Antibiotika (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 28

14 Resistenzbildung (a) Die Beziehung zwischen der Verwendung von Antibiotika und dem Prozentsatz antibiotikaresistenter Bakterien, die aus Patienten mit Durchfall isoliert wurden. Die Wirkstoffe, die in den größten Mengen eingesetzt wurden, wie hier durch die kommerziell hergestellten Mengen dargestellt ist, sind diejenigen, für die man am häufigsten resistente Stämme findet. (b) Prozentsätze berichteter Fälle von durch wirkstoffresistente Stämme bedingter Gonorrhoe. Die absolute Zahl gemeldeter wirkstoffresistenter Fälle betrug im Jahr 1985 rund Diese Zahl stieg auf im Jahr Mehr als 95 % der gemeldeten wirkstoffresistenten Krankheitsfälle gehen zu Lasten Penicillinase produzierender Stämme von Neisseria gonorrhoeae. Seit 1990 wird Penicillin wegen der zunehmenden Medikamentenresistenz der Erreger nicht mehr zur Behandlung der Gonorrhoe empfohlen. (Quelle: Centers for Disease Control and Prevention, Atlanta, Georgia, USA) (Aus Brock Mikrobiologie von Madigan & Martinko, Pearson Studium) MPM 29 Resistenz Definition : die adaptive Fähigkeit eines Mikroorganismus in der Gegenwart eines Antibiotikums zu wachsen. *Toleranz: Mikroorganismus kann in Gegenwart eines Antibiotikums überleben, wächst aber nicht. *Resistenz: R-Plasmide: Codieren häufig mehrere Resistenzen - neue Antibiotika modifizierende Enzyme - Proteine, welche Import oder das Erreichen des Wirkortes hemmen - Effluxpumpen Chromosomal codierte Resistenz: oft Modifikation des Wirkortes, z.b. Ribosom (Prophagen, Transposons, Resistenzinseln) *Meist wird die Resistenz durch Austausch genetischer Information erworben. Horizontaler Gentransfer: Konjugation, Transformation,Transduction *Häufig gibt es verschiedene Mechanismen der Resistenzbildung MPM 30

15 1. Fehlender Wirkort Bsp. Mycoplasmen haben keine typische Zellwand: resistent gegen Penicillin Mechanismen der Resistenz 2. Impermeabilität Die äußere Membran der gram-negativen Bakterien ist impermeable für viele Antibiotika; Bsp. Penicillin 3. Inaktivierung des Antibiotikums Modifikation oder Degradation; Bsp. β- Lactamase (Penicillin), Acetyltransferase (Kanamycin, Chloramphenicol) 4. Veränderung des Wirkortes Bsp. Mutation ribosomaler Proteine (Streptomycin) oder rrna (Tetracyclin) 5. Effluxpumpen Bsp. Tetracyclin, Ciprofloxacin MPM 31 Warum gibt es Antibiotika? Warum Resistenz? Konkurrenzausschluss langsam wachsender Bakterien und Pilze Antibiotika sind Evolutionär alte Verbindungen: Genügend Zeit für die Evolution von Resistenz Sowohl Antibiotikaproduktion als auch die Resistenz gegen Antibiotika verursachen Energiekosten und bleiben nur unter Selektionsbedingungen erhalten. MPM 32